ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8857
Скачиваний: 20
126
Транзистор иногда работает в режиме, когда оба перехода
смещены в прямом направлении. При этом, по существу, имеют-
ся двусторонняя инжекция и двустороннее «собирание» неоснов-
ных носителей. Если функция инжекции превалирует на обоих
переходах, транзистор превращается в двойной диод. Однако ча-
ще на одном из переходов (обычно коллекторном) превалирует
функция «собирания», и тогда ток через него протекает в направ-
лении, не соответствующем полярности смещения. Такой режим
называется режимом насыщения.
переход
переход
p
p
n
Б
К
Э
w
Рис. 4.3 — Реальная структура
биполярного транзистора
Из всего сказанного следует, что плоскостной транзистор
является системой двух взаимодействующих р-n переходов и что
непременным условием такого взаимодействия является доста-
точно малая толщина базы (
w
L
<<
, где
L
— диффузионная дли-
на неосновных носителей).
Основные свойства транзистора определяются процессами
в базе, и им в дальнейшем будет уделено главное внимание. Ха-
рактер движения инжектированных носителей в базе в общем
случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электриче-
ское поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом
высокого уровня инжекции, а также результатом неоднородности
слоя. Последний случай имеет особенно большое значение, так
как собственное поле неоднородного полупроводника обуслов-
ливает дрейфовый механизм движения носителей независимо
от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы
называются диффузионными или бездрейфовыми, а с собствен-
ным полем — дрейфовыми. Оба названия отражают главный
127
механизм перемещения носителей, хотя, как правило, диффузия
и дрейф сочетаются. Более простыми для анализа являются
бездрейфовые транзисторы, которым ниже уделено основное
внимание. Особенности дрейфовых транзисторов будут рассмот-
рены в отдельном параграфе. Выше подразумевалось, что оба
напряжения (
э
U и
Б
U ) отсчитываются от базы, принятой за основ-
ной электрод, который является общим для входного и выходного
напряжений транзистора. Такое включение транзистора (рис. 4.4,
а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свой-
ства и параметры, называют включением «с общей базой». Это
включение будет в дальнейшем обозначаться буквами ОБ. Одна-
ко схема ОБ является не только не единственно возможной, но
даже не наиболее распространенной на практике. Это объясняет-
ся рядом обстоятельств (например, отсутствием усиления тока),
которые будут ясны из последующих параграфов.
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
а
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
б
I
Э
I
К
I
б
Э
К
Б
Вход
Выход
в
Рис. 4.4 — Схемы включения транзистора:
а — с общей базой; б — с общим эмиттером;
в — с общим коллектором
128
Основное применение в схемах находит другое включение
транзистора, которое по вполне понятным причинам называют
включением «с общим эмиттером» (рис. 4.4, б), и схема включе-
ния «с общим коллектором».
Мы будем обозначать их буквами ОЭ и ОК. Преимущества
схемы ОЭ выяснятся чуть позже; однако можно сразу отметить,
что она дает усиление по току, поскольку ток базы, являющийся
для нее входным, гораздо меньше токов эмиттера и коллектора,
это позволяет получить большее усиление по мощности в отно-
сительно узкой полосе частот. Третий вариант включения — схе-
ма «с общим коллектором» (ОК) — показан на рис. 4.4, в.
Несмотря на практические недостатки, которые в большей
степени неверны, схема ОБ является основой при рассмотрении
физических процессов в транзисторе. Поэтому она является осно-
вой при анализе основных процессов в биполярном транзисторе.
4.2
Основные
процессы
в
биполярном
транзисторе
На рис. 4.3 показан разрез бездрейфового транзистора
со сплавными переходами, имеющего дисковую структуру.
По сравнению с другими типами транзисторов сплавной транзи-
стор наиболее прост и удобен для анализа. База этого транзистора
однородна, поэтому механизм движения носителей — диффузи-
онный. Удельные сопротивления слоев эмиттера и коллектора
практически одинаковы, так что фактором, обусловливающим
асимметрию транзистора, является различие площадей
Sэ
и
К
S .
Асимметрия транзистора преследует ту цель, чтобы дырки, ин-
жектируемые эмиттером и диффундирующие под некоторым уг-
лом к оси транзистора, по возможности полнее собирались кол-
лектором. База сплавного транзистора отличается от базы идеа-
лизированной структуры (см. рис. 4.1) наличием трех участков,
которые называют активной, промежуточной (или коллекторной)
и пассивной областями базы. Активной областью базы является
цилиндрический объем с высотой
w
и площадью, равной по-
верхности эмиттера
Э
S . Промежуточной областью базы является
кольцевой объем с площадью основания
K
Э
S
S
−
и высотой, рав-
ной расстоянию от коллектора до противоположной поверхности
129
базовой пластинки. Наконец, пассивной областью базы является
ее объем, расположенный вне коллектора.
Для первоначального ознакомления с транзистором можно
пренебречь пассивной и промежуточной областями базы и счи-
тать транзистор симметричным, имеющим одинаковую площадь
Э
К
S
S
=
во всех сечениях (см. рис. 4.1). Обычно соблюдается со-
отношение w
S
<<
т. е. размеры транзистора в направлениях,
перпендикулярных главной оси, много больше толщины базы.
В таком транзисторе краевые эффекты не очень существенны, и
его можно считать одномерным, т. е. можно предположить дви-
жение носителей только вдоль главной оси, без отклонения в сто-
роны. Такая одномерная модель будет всегда подразумеваться,
если не сделано специальных оговорок
Инжекция и собирание неосновных носителей. На
рис. 4.5, а показана энергетическая диаграмма транзистора в рав-
новесном состоянии. Диаграмма показывает, что эмиттер и кол-
лектор представляют собой низкоомные слои (уровень Ферми
лежит вблизи уровней акцепторов), а база — сравнительно высо-
коомный слой (уровень Ферми расположен вблизи середины за-
прещенной зоны). Легко видеть, что электроны базы и дырки
эмиттера и коллектора находятся в «потенциальных ямах», из ко-
торых они могут перейти в смежный слой только благодаря до-
статочно большой тепловой энергии. Наоборот, дырки базы
и электроны эмиттера и коллектора находятся на «потенциаль-
ных гребнях», с которых они могут свободно переходить в смеж-
ный слой. В равновесном состоянии на обоих переходах имеется
динамическое равновесие между потоками дырок (а также между
потоками электронов), протекающих в ту и другую стороны.
Пусть на эмиттерном переходе задано нормальное для него по-
ложительное смещение, а коллекторный переход по-прежнему
замкнут (рис. 4.5, б). Тогда потенциальный барьер эмиттера по-
низится и начнется инжекция дырок в базу и электронов в эмит-
тер. При большой разнице в удельных сопротивлениях слоев
электронная составляющая тока, как известно, не играет большой
роли, и ею пока можно пренебречь. Инжектированные дырки,
пройдя базу, доходят до коллекторного перехода и свободно про-
ходят в коллектор. Значит, в выходной цепи будет протекать ток,
130
близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинация в тонкой базе
невелика. Небольшая разность между эмиттерным и коллектор-
ным токами связана с током базы, который обусловлен электро-
нами, поступающим из внешней цепи. Электроны внешней цепи
компенсируют убыль электронов в базе в результате их рекомби-
нации с дырками. Поскольку напряжение
K
U
равно нулю, полез-
ная мощность не выделяется и усиление отсутствует. Если в вы-
ходную цепь включить резистор нагрузки (рис. 4.5, в), то падение
напряжения на этом сопротивлении создаст положительное сме-
щение коллектора. При этом, наряду с собиранием дырок, до-
шедших от эмиттера, будет происходить инжекция дырок самим
коллектором. В результате коллекторный ток станет заметно
меньше тока эмиттера и мощность в нагрузке будет очень неве-
лика. В нормальном усилительном режиме на коллекторный пе-
реход задается достаточно большое отрицательное смещение,
в результате чего потенциальный барьер у коллектора соответ-
ственно увеличивается (рис. 4.5, г). Теперь можно включать
в выходную цепь резистор со значительным сопротивлением без
опасения вызвать инжекцию через коллекторный переход. При
этом «собирательные функции» коллекторного перехода никак
не ухудшатся.
При этом можно получить значительную выходную мощ-
ность, а главное — усиление мощности, так как токи
Э
I и
K
I по-
чти одинаковы, а сопротивление нагрузки превышает сопротив-
ление эмиттерного перехода.
Чтобы коллекторный переход не сместился в прямом
направлении, должно выполняться условие.
0.
K
K
K
E
I R
−
+
<
Пусть теперь коллекторный переход смещен в обратном
направлении, а эмиттер «оборван» (рис. 4.5, г).
Высокий потенциальный барьер коллектора практически
исключает уход дырок из коллектора. Следовательно, ток через
коллекторный переход будет обусловлен неуравновешенным по-
током дырок из базы в коллектор. Токи
0
k
I
и
0
Б
I
в этом случае
невелики и, конечно, равны друг другу. Экстракция дырок из ба-
зы через коллекторный переход создает отрицательный градиент
концентрации их вдоль всей базы. В результате тот поток дырок